[发明专利]一种面向神经网络视觉感知的新型忆光响应器及其制备方法、应用

说明书

本发明提供一种面向神经网络视觉感知的新型忆光响应器的制备方法、应用，在二氧化硅衬底上使用超声雾化沉积法在有缺陷的石墨烯电极上通过掩膜版非对称地沉积二硫化钼纳米片，加热引起石墨烯和二硫化钼部分氧化，形成非对称的具有光伏效应的氧化石墨烯/氧参杂硫化钼/氧化石墨烯器件以用作面向神经网络视觉感知的新型忆光响应器。本发明提出了一种通过记忆流经器件的电通量调控两端器件的光响应率的新型器件、制备方法及其应用。

技术领域

本发明涉及感存算一体的神经网络视觉感知新型两端器件，尤其涉及一种面向神经网络 视觉感知的新型忆光响应器及其制备方法、应用。

背景技术

近几年，随着信息化作战、智能机器人等人工智能领域的快速发展，处理宽光谱图像信 息的需求不断增长，对智能感知技术提出了更高的要求。研制高性能、智能化的人工智能视 觉感知芯片，是建立新一代智能化自主识别决策体系和发展深海、深空等无人空间宽光谱信 息获取技术的战略制高点。

尽管现代光电探测器的波谱范围以及响应频率已经远远超过人类眼球，然而现有的智能 成像系统基于图像的获取、存储、识别的分离式构架，使得数据在各层级进行大量的搬运， 这对计算机的计算能力和数据存储速度提出了极高的需求，这种需求进一步凸显了计算速度 和信息读写速度之间存在的巨大鸿沟(“存储墙”问题，图1a)，降低了数据的处理速度， 同时产生了大量的功耗。随着对人类视觉系统的深入了解，我们发现经过视网膜、视神经和 视觉皮层的预处理，通过对高分辨率的冗余图像数据的特征提取，使得图像的特征信息在传 输的过程中得到极大的精简，研究表明，通过图像预处理，大幅度的提高了数据信息在后端 深度神经网络的识别效率，缩短了图像识别需要消耗的时间，降低了图像识别任务的功耗。 为低功耗、高动态的自主决策神经网络视觉感知提供了新的数学物理范式。

如图1b所示，为了模拟人眼的光感受器和双极细胞层的层次结构和生物学功能，器件需 要实现可调控的正负光响应，现阶段实现正负光响应的器件主要分为两类：第一类是基于金 属-半导体-金属的双肖特基结,基于GaAs的VSPD′s(b)基于Si的VSPD′s，实现了图像 的预处理；第二类是基于双极性二维材料的光电探测器和光电存储器。

早在1990年，来自日本三菱电子研究实验室的Yoshikazu Nitta等人利用基于GaAs(图 2a)和Si(图2b)的灵敏度可调控的光电探测器(Variable Sensitivity Photo-Detector cells (VSPD′s))实现了超高速的图像预处理，其原理是通过偏压改变金属-半导体-金属双肖特基 结的耗尽层宽度形成不同大小不同方向的内建电场，从而得到可调控的正负光电导，并成功 的实现了图像的预处理，如图2b所示。

近些年来，随着栅压调控双极性二维材料形成PN结的兴起，使得正负光响应率的调节成 为可能。维也纳科技大学的Thomas Mueller教授提出了一种人工视觉神经网络方案：通过光 响应率可调控的P-N结探测器阵列，实现了字母图案的识别和编码，如图2c所示，通过场效 应调制的二维WSe₂的PN结组成的视觉神经网络探测器，成功用于图像目标识别。该研究通过 栅压调控二维WSe₂不同区域的电子、空穴浓度，形成了方向和大小可调控的内建电场，实现 了连续可调的正负光响应率，并以此为基础证明了这种人工视觉神经网络的高效性。与此同 时，由于这类人工视觉系统基于I＝∑R×P完成了乘法累加运算，通过感算一体避免了现有 系统中数模转换的过程，完成了10ns内目标的超快识别，为超高速目标识别提供了新的思路。 南京大学的缪峰教授等人通过栅压调节WSe₂沟道内光生载流子在h-BN和Al₂O₃绝缘层中的束 缚[7]，实现了正负光响应率的调控。该研究通过正负光响应率的调控，模拟高斯差分、拉普 拉斯算子等，实现了多种卷积图像预处理效果，如边缘增强、对比度增强等。由于这类特定 的卷积神经网络不依赖于外部的训练，且具有良好的通用性，故能够很好的模仿视网膜内的 图像预处理效果，如图2d。